[논문 리뷰] The e-ASTROGAM mission (exploring the extreme Universe in the MeV-GeV range)

A. De Angelis, V. Tatischeff외 66명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 07.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 1인용 수 2

한 줄 요약

e-ASTROGAM은 0.3 MeV에서 3 GeV의 광자 에너지 범위에서 비열적 우주를 연구하기 위해, 예측할 수 없는 민감도, 각도 해상도 및 에너지 해상도, 그리고 편광 측정 능력을 갖춘 콜로멜 및 쌍 생성 탐지기를 사용하는 고도로 발전된 우주 관측소 미션을 제안한다. 이는 상대론적 유동, 핵합성 과정, 그리고 중력파 이벤트의 대응체를 탐사함으로써 고에너지 천체물리학과 핵천체물리학 분야에서 획기적인 진전을 이끌어낼 것이다.

ABSTRACT

e-ASTROGAM (`enhanced ASTROGAM') is a breakthrough Observatory mission dedicated to the study of the non-thermal Universe in the photon energy range from 0.3 MeV to 3 GeV. The mission is based on an advanced space-proven detector technology, with unprecedented sensitivity, angular and energy resolution, combined with polarimetric capability. In the largely unexplored MeV-GeV domain, e-ASTROGAM will open a new window on the non-thermal Universe, making pioneering observations of the most powerful Galactic and extragalactic sources, elucidating the nature of their relativistic outflows and their effects on Galactic ecosystems. With a line sensitivity in the MeV energy range one to two orders of magnitude better than previous generation instruments, will determine the origin of key isotopes fundamental for the understanding of supernova explosion and the chemical evolution of our Galaxy. The mission will provide unique data of significant interest to a broad astronomical community, complementary to powerful observatories such as LIGO-Virgo-GEO600-KAGRA, SKA, ALMA, E-ELT, TMT, LSST, JWST, Athena, CTA, IceCube, KM3NeT, and the promise of eLISA. Keywords: High-energy gamma-ray astronomy, High-energy astrophysics, Nuclear Astrophysics, Compton and Pair creation telescope, Gamma-ray bursts, Active Galactic Nuclei, Jets, Outflows, Multiwavelength observations of the Universe, Counterparts of gravitational waves, Fermi, Dark Matter, Nucleosynthesis, Early Universe, Supernovae, Cosmic Rays, Cosmic antimatter.

연구 동기 및 목표

• 고도로 발전된 우주 기반 검출기 기술을 활용하여, 거의 탐색되지 않은 MeV-GeV 에너지 범위에서 비열적 우주를 탐색한다.
• 이전 기기들보다 선 감도를 1~2개 항목 높임으로써 초신성에서 생성된 핵종의 기원을 규명한다.
• 은하계 및 은하계 외부 천체에서의 상대론적 유동 및 제트를 연구한다. 이는 활성 은하핵과 감마선 폭발을 포함한다.
• LIGO, CTA, JWST, IceCube와 같은 다중메시저 관측소와의 보완적 데이터를 제공함으로써, 다파장 및 다메시저 연구를 강화한다.
• 고해상도 감마선 및 편광 측정 관측을 통해, 우주선, 우주 반물질, 그리고 초기 우주의 기원을 탐구한다.

제안 방법

• 0.3 MeV에서 3 GeV 범위에서 고감도 및 고에너지 해상도를 확보하기 위해 최적화된 콜로멜 및 쌍 생성 탐지기 설계를 활용한다.
• 원천의 구조 및 방출 메커니즘을 구분할 수 있도록, 개선된 각도 해상도와 편광 측정 능력을 갖춘 고급 검출기 기술을 적용한다.
• 이전 기기들보다 1~2개 항목 높은 선 감도를 확보한 MeV 대역의 깊은 천구 스캔을 수행한다.
• LIGO-Virgo-GEO600-KAGRA, SKA, ALMA, E-ELT, TMT, LSST, JWST, Athena, CTA, IceCube, KM3NeT, eLISA와 같은 다파장 및 다메시저 시설과 데이터 통합을 수행한다.
• 편광 측정을 통해 상대론적 유동 및 제트 내의 자기장 구조와 방출 메커니즘을 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성 폭발에서 생성된 핵종의 기원은 무엇이며, 은하의 화학적 진화에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 활성 은하핵과 감마선 폭발에서 상대론적 유동 및 제트를 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 LIGO 및 Virgo가 탐지한 중력파 대응체와 고에너지 감마선 방출 간의 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ4 고해상도 및 편광 감마선 관측이 암흑물질의 붕괴 또는 상호작용 신호에 대해 어떤 제약을 가질 수 있는가?
• RQ5 다양한 천체물리적 환경에서 우주선 및 우주 반물질 생성 메커니즘은 어떻게 다를 수 있는가?

주요 결과

• e-ASTROGAM은 이전 세대 기기들보다 MeV 에너지 범위에서 선 감도를 1~2개 항목 높여, 정밀한 핵합성 연구를 가능하게 한다.
• 이 미션은 상대론적 유동에 대한 고유한 편광 데이터를 제공하여, 제트 및 유동 내 자기장 구성의 세밀한 매핑을 가능하게 한다.
• 개선된 국소화 및 감도를 통해 중력파 사건의 고에너지 감마선 대응체를 탐지함으로써, 다메시저 천문학을 강화한다.
• 고에너지 해상도를 통해 초신성 잔해의 감마선 방출선을 해상하고, 방사성 핵종의 합성 과정을 직접 탐사할 수 있다.
• e-ASTROGAM은 MeV-GeV 대역에서 비열적 우주에 대한 처음으로 종합적인 조사 결과를 제공하며, 이전에 탐지되지 않은 소스 및 방출 과정을 드러낼 것이다.
• JWST, CTA, eLISA와 같은 기존 및 향후 관측소와의 보완을 통해, 다음 세대 고에너지 천체물리학 인프라의 핵심을 형성할 것이다.